Насколько я понимаю возможно и то и то, потому что:

Пробежал дистанцию за две десятых (частей) секунды.
Пробежал дистанцию за две десятые (части) секунды.
Думаю, что правильный вариант второй. Давайте опустим прилагательные, описывающие качества, и оставим только существительные. Вот что тогда получится:
1) Пробежал дистанцию за две частей/долей секунды.
2) Пробежал дистанцию за две части/доли секунды.

Части/доли секунды во втором предложении могут быть любые: десятые, пятые, третьи, четвёртые, сотые.